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IBS, 절개없이 생물체 신경망 관찰가능한 초고속 홀로그램 현미경 개발

2019-08-01기사 편집 2019-08-01 17:19:44

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첨부사진1살아있는 제브라피쉬의 후뇌부 신경망 3차원 관찰 모습. 부화한지 6일(a), 10일(b) 된 제브라피쉬의 발달단계에 따른 중추신경계를 이루는 신경망 구조의 변화를 관찰할 수 있다. 현미경 성능 비교를 위해 부화한지 10일된 같은 제브라피쉬에서 일반적인 공초점 현미경으로 얻은 반사영상(c), 형광영상(d)에서 신경계를 볼 수 있으나 고해상도의 신경섬유 구조를 확인할 수 없다. 사진=IBS 제공

절개 수술 없이도 살아있는 생물체의 신경망을 관찰할 수 있게 됐다.

기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장 연구팀이 생물체 신경망을 고해상도로 관찰가능한 초고속 홀로그램 현미경을 개발했다고 1일 밝혔다.

생체조직은 빛이 세포들에 부딪히며 파면이 왜곡되기 때문에 현미경으로 그 안을 관찰하기 어렵다. 이같은 일반 광학현미경의 한계를 극복하기 위해 홀로그램 현미경이 등장했다. 하지만 기존 홀로그램 현미경 기술은 파면의 측정·제어를 반복해야 했기 때문에 영상획득 속도가 느려 살아있는 동물 관찰에 적용하기에는 역부족이었다.

연구진은 물체광과 참조광을 동조시키는 방식으로 기존보다 데이터 획득 속도를 수십 배 이상 향상시켰다. 초당 10장 정도의 이미지를 획득하는 기존 기술과 달리, 초고속 홀로그램 현미경은 초당 500장 정도의 데이터를 획득한다. 또 이 기술을 통해 반복적인 하드웨어 처리과정 없이 초점의 광신호를 백배 이상 증가시킬 수 있었다. 이는 파면왜곡 보정 성능이 백배 이상 늘어 심층 관찰능력이 향상됐다는 뜻이다.

연구진은 이를 통해 형광표지 인자를 사용하지 않고도 살아있는 제브라피쉬의 후뇌부에서 고해상도 뇌신경망 영상을 얻는 데 성공했다. 기존 대다수의 광학현미경 기술은 주로 부화한지 1주일 이내인 어린 제브라피쉬에 형광물질을 주입, 신경섬유 구조를 파악하는 수준에 머물러 있다. 제브라피쉬가 성장할수록 후뇌부를 덮는 부위에 비늘이 두껍게 형성돼 내부를 파악하기 어려웠기 때문이다. 이에 반해 이번 연구에서 개발된 기술은 수 주 이상 성장한 제브라피쉬에서 비표지 방식으로 중추신경계의 신경망 영상을 고해상도로 획득할 수 있었다.

최 부연구단장은 "향후 뇌신경과학과 의·생명 융합 연구 등 정밀 측정이 필요한 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 7월 17일자 온라인 판에 게재됐다.

주재현 기자





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첨부사진2<그림>시분해 초고속 홀로그램 현미경의 원리. 시분해 초고속 홀로그램 현미경(a)은 스캐닝 거울을 이용해 물체를 조명하는 빛과 참조광을 동시에 바꿔가며 되돌아 나온 간섭무늬를 기록한다. 참조광을 고정시킨 채 물체광만 스캐닝하는 기존 기술(b)이 제한된 영역에서만 관찰이 가능했던 것과 달리, 개발된 기술(C)은 모든 면적에서 간섭무늬를 기록할 수 있다. 그림=IBS 제공

첨부사진3IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 초고속 홀로그램 현미경의 모습. 기존보다 영상획득 속도를 수십 배 높여 살아있는 생물체의 신경망까지도 관찰 가능하다. 사진=IBS 제공

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